Στόχοι Μαθήματος: Κατανόηση των βασικών ιδιοτήτων του φωτός, των οπτικών κυματοδηγών και γενικότερα των βασικών εννοιών της φωτονικής
Μαθησιακά Αποτελέσματα: Αποκτήστε βασικές γνώσεις φωτονικής σε σχέση με το οπτικό και τη δυνατότητα περαιτέρω κατανόησης εφαρμογών στην επιστήμη της μηχανικής
Περιεχόμενο Μαθήματος: (1) Εισαγωγή στη Φωτονική και τις Οπτικές Επικοινωνίες: Επισκόπηση της φωτονικής και των εφαρμογών της σε διάφορους τομείς όπως η τεχνολογία πληροφοριών και επικοινωνιών, η υγειονομική περίθαλψη, οι βιοεπιστήμες, η οπτική ανίχνευση, ο φωτισμός, η ενέργεια και η βιομηχανία. Θα συζητηθεί η εξέλιξη των συστημάτων φωτεινού κύματος πριν από την εισαγωγή στις βασικές αρχές των συστημάτων οπτικών επικοινωνιών. (2) Η φύση του φωτός και η παραγωγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για εφαρμογές φωτονικής (i) Κυματική φύση του φωτός: Φωτεινά κύματα σε ομοιογενή μέσα. Δείκτης διάθλασης. Ομαδική ταχύτητα και ομαδικός δείκτης. Μαγνητικό πεδίο, ακτινοβολία και διανύσμα Πόιντινγκ. Νόμος του Σνελ και ολική εσωτερική ανάκλαση. Εξισώσεις Fresnel. Πολλαπλή παρέμβαση και οπτικοί συντονιστές. Χρονική και χωρική συνοχή. Αρχές περίθλασης. Πόλωση. Μαθηματικές μέθοδοι καθορισμού των χαρακτηριστικών του φωτός (παράμετροι Stokes, διανύσματα και πίνακες Jones) και πώς καθορίζονται αυτά τα χαρακτηριστικά. (ii) Οπτικές πηγές και λέιζερ: Επιστήμη και υλικά ημιαγωγών. Έννοιες ημιαγωγών και ενεργειακές ζώνες. Άμεσοι και έμμεσοι ημιαγωγοί: διαγράμματα E-k. Αρχές p-n επαφής και διαγράμματα ενεργειακών ζωνών. Αρχές εκπομπής φωτός και ενίσχυσης σε λέιζερ. Λέιζερ (παλμικά και συνεχούς κύματος), διόδους εκπομπής φωτός (LEDs), ημιαγώγιμα λέιζερ (λέιζερ ακμής και VCSELs). Εξίσωση ρυθμού σε σταθερή κατάσταση. Λέιζερ στερεάς κατάστασης μονής συχνότητας. Οπτικοί ενισχυτές. (3)Οπτικοί κυματοδηγοί: Η διάδοση του φωτός σε οπτικούς κυματοδηγούς. Διηλεκτρικοί κυματοδηγοί και οπτικές ίνες. Συμμετρικός επίπεδος διηλεκτρικός κυματοδηγός. Διάχυση τρόπων και κυματοδηγού στον επίπεδο κυματοδηγό. Οπτική ίνα βαθμίδας δείκτη. Αριθμητικό άνοιγμα. Διασπορά σε μονοτροπικές ίνες. Ρυθμός bit, διασπορά και οπτικές μη-γραμμικότητες. Ηλεκτρικό και οπτικό εύρος ζώνης. Οπτική ίνα μεταβλητού δείκτη διάθλασης. Εξασθένιση στις οπτικές ίνες - απορρόφηση φωτός και σκέδαση. Κατασκευή οπτικών ινών. (4) Οπτικοί ανιχνευτές και δέκτες: Η ανίχνευση του φωτός και η αποδιαμόρφωση του φωτός, περιλαμβανομένων των φωτοαγωγών, φωτοδιόδων και συστημάτων δεκτών.Αρχή λειτουργίας φωτοδιόδου p-n επαφής. Εξωτερικό φωτορεύμα. Συντελεστής απορρόφησης και υλικά φωτοδιόδων. Κβαντική απόδοση και απόκριση. Οι φωτοδιόδοι p-i-n, κρουστικές και ετεροεπαφής. Φωτοτρανζίστορ. Φωτοαγώγιμοι ανιχνευτές και κέρδος φωτοαγωγιμότητας. Θόρυβος στους φωτοανιχνευτές. Ζητήματα συστήματος: πηγές θορύβου και λόγος σήματος προς θόρυβο, περιορισμοί χρονικής απόκρισης και αποτελεσματικού εύρους ζώνης. (5) Ενσωμάτωση πληροφορίας σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία & τεχνικές επικοινωνίας: (i) Βασικές αρχές διαμόρφωσης: Πόλωση και διαμόρφωση του φωτός. Διάδοση φωτός σε ανισοτροπικά μέσα: διπλοθλαστικότητα. Διπλοθλαστικές οπτικές συσκευές. Οπτική δραστηριότητα και κυκλική διπλοθλαστικότητα. Ηλεκτροοπτικά φαινόμενα. Ενσωματωμένοι οπτικοί διαμορφωτές. Ακουστοοπτικός διαμορφωτής. Μαγνητοοπτικά φαινόμενα. Μη γραμμική οπτική και δημιουργία δεύτερης αρμονικής, (ii) Διαμόρφωση: Ακουστοοπτικές και ηλεκτροοπτικές τεχνικές, εναλλαγή LED, αναλογικές και ψηφιακές τεχνικές με λέιζερ, τεχνικές διαμόρφωσης AM, FM και φάσης. (6) Εφαρμογές συστημάτων φωτεινού κύματος: Σύνοψη σημαντικών εννοιών της ψηφιακής επικοινωνίας όπως η ψηφιακή μετάδοση βασικής και ευρείας ζώνης, ρυθμός σφάλματος bit, ρυθμός σφαλμάτων ομάδας bit και πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (TDM) και πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (WDM). Τάσεις και νέες κατευθύνσεις στις εφαρμογές φωτονικής, (i) Θόρυβος και ανίχνευση: Θόρυβος που προέρχεται από τις ιδιότητες των ινών, των πομπών, των δεκτών και των ενισχυτών καθώς και ο καθορισμός του ρυθμού σφαλμάτων bit, (ii) Οπτικοί Πολυπλέκτες και Αποπολυπλέκτες: Αρχή λειτουργίας πολυπλεκτών και αποπολυπλεκτών. Διάφορες οπτικές συσκευές απαραίτητες για οπτικά δίκτυα, οπτικοί ενισχυτές, συσκευές ελέγχου πόλωσης, οπτικοί απομονωτές, οπτικά φίλτρα και διαθλαστικά πλέγματα, διαμορφωτές και διακόπτες, (iii) Σχεδίαση οπτικών συστημάτων: Διαδικασία σχεδίασης συνδέσεων οπτικών συνδέσμων σημείου προς σημείο.